Onderzoekers van QuTech, een samenwerking tussen de Technische Universiteit Delft en TNO, hebben een recordaantal van zes, op silicium gebaseerde, spin-qubits ontwikkeld in een volledig interoperabele array. Belangrijk is dat de qubits kunnen worden gebruikt met een laag foutenpercentage dat wordt bereikt met een nieuw chipontwerp, een geautomatiseerde kalibratieprocedure en nieuwe methoden voor qubit-initialisatie en uitlezing. Deze vooruitgang zal bijdragen aan een schaalbare kwantumcomputer op basis van silicium. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature vandaag.

Er kunnen verschillende materialen worden gebruikt om qubits te produceren, de kwantumanaloog aan het bit van de klassieke computer, maar niemand weet welk materiaal het beste blijkt te zijn om een ​​grootschalige kwantumcomputer te bouwen. Tot op heden zijn er alleen kleinere demonstraties geweest van siliciumkwantumchips met hoogwaardige qubit-bewerkingen. Nu hebben onderzoekers van QuTech, onder leiding van prof. Lieven Vandersypen, een zes qubit-chip in silicium geproduceerd die werkt met lage foutpercentages. Dit is een grote stap in de richting van een fouttolerante kwantumcomputer die gebruik maakt van silicium.

Om de qubits te maken, worden individuele elektronen in een lineaire reeks van zes "kwantumdots" op 90 nanometer afstand van elkaar geplaatst. De reeks kwantumstippen is gemaakt in een siliciumchip met structuren die sterk lijken op de transistor - een gemeenschappelijk onderdeel in elke computerchip. Een kwantummechanische eigenschap genaamd spin wordt gebruikt om een ​​qubit te definiëren waarvan de oriëntatie de logische toestand 0 of 1 definieert. Het team gebruikte fijn afgestelde microgolfstraling, magnetische velden en elektrische potentialen om de spin van individuele elektronen te controleren en te meten en ze met elkaar te laten interageren.

"De uitdaging op het gebied van kwantumcomputers bestaat tegenwoordig uit twee delen", legt eerste auteur Stephan Philips uit. "Qubits ontwikkelen die van voldoende kwaliteit zijn, en een architectuur ontwikkelen waarmee je grote systemen van qubits kunt bouwen. Ons werk past in beide categorieën. En aangezien het algemene doel van het bouwen van een kwantumcomputer een enorme inspanning is, denk ik dat het eerlijk om te zeggen dat we een bijdrage in de goede richting hebben geleverd."

De spin van het elektron is een delicate eigenschap. Kleine veranderingen in de elektromagnetische omgeving zorgen ervoor dat de richting van de spin fluctueert, en dit verhoogt het foutenpercentage. Het QuTech-team bouwde voort op hun eerdere ervaring met het ontwerpen van kwantumdots met nieuwe methoden voor het voorbereiden, controleren en lezen van de spintoestanden van elektronen. Met behulp van deze nieuwe rangschikking van qubits konden ze op verzoek logische poorten maken en systemen van twee of drie elektronen verstrengelen.

Kwantumarrays met meer dan 50 qubits zijn geproduceerd met behulp van supergeleidende qubits. Het is echter de wereldwijde beschikbaarheid van siliciumtechnische infrastructuur die siliciumkwantumapparaten de belofte geeft van een eenvoudigere migratie van onderzoek naar de industrie. Silicium brengt bepaalde technische uitdagingen met zich mee, en tot dit werk van het QuTech-team konden alleen arrays van maximaal drie qubits in silicium worden geconstrueerd zonder in te boeten aan kwaliteit.

"Dit artikel laat zien dat het met zorgvuldige engineering mogelijk is om het aantal silicium-spin-qubits te verhogen met dezelfde precisie als voor enkele qubits. De belangrijkste bouwsteen die in dit onderzoek is ontwikkeld, zou kunnen worden gebruikt om nog meer qubits toe te voegen in de volgende iteraties van studie," zei co-auteur Dr. Mateusz Madzik.

"In dit onderzoek verleggen we de grenzen van het aantal qubits in silicium en bereiken we hoge initialisatiegetrouwheid, hoge uitleesgetrouwheid, hoge enkel-qubit-poortgetrouwheid en hoge twee-qubit-staatsgetrouwheid", zei prof. Vandersypen. "Wat echter echt opvalt, is dat we al deze kenmerken samen demonstreren in één enkel experiment op een recordaantal qubits." + Verder verkennen

Spin-qubits voor halfgeleiders winnen aan geloofwaardigheid als toonaangevend platform voor kwantumcomputers